CN100376362C - 整体式三自由度微纳操作器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整体式三自由度微纳操作器，包括基板、压电陶瓷驱动器和平面运动机构，平面运动机构上还串联一个垂直运动机构，所述平面运动机构和垂直运动机构是与基板一体相连的整体式结构，其中的连接点均为整体式柔性铰链，且基板的上下平面高出平面运动机构的上下平面。本发明中的运动机构都是与基板一体的整体式结构，外形扁平化，结构紧凑，体积小，无需装配，避免了装配误差，运动精度高。本发明的操作器能够实现三维空间运动，可应用于在微型机械零件装配、微机电系统组装、超精密加工、光学调整、微外科手术、生物细胞操作等领域。

Description

整体式三自由度微纳操作器

技术领域

本发明涉及一种高精度的纳米操作机器人结构，具体的说是一种可以以极高的位移分辨率快速地对微小物体在三维空间内进行操作的操作装置。

背景技术

微纳操作器是纳米操作机器人系统的核心部件，纳米操作机器人可以用于微型机械零件装配、微机电系统(MEMS)组装、超精密加工、光学调整、生物细胞操作等领域。目前，纳米操作机器人系统还处于研究发展阶段，还没有完全产业化，主要还是集中在一些高校和研究机构。总结国内外技术现状，纳米操作器已经由一个自由度发展为多个自由度，在驱动上大多数采用压电陶瓷器件，因此都具有纳米级的分辨率，并且采用惯性冲击式原理和超声马达的原理来实现大行程，高分辨率。

现有的纳米操作机器人系统多为单维操作系统，也就是说它们只能在某一个方向上运动，不能进行空间运动。如果要实现多维运动，往往是多个单维微操作器进行组装拼凑成一个多维操作系统，这样做导致的直接后果是：操作机器人系统外形过于庞大，并且操作动作不是很灵活；其次，机器人的运动精度因结构因素而受到影响，往往在微米级的范围内。

国内专利(申请号03266087.1)涉及的是一种并-并联式微操作并联机器人机械结构，在实际应用中有如下缺点：

1.微操作机器人外形尺寸巨大，高度增加，有累积误差且运动稳定性变差；

2.当根据微操作动作的需要，把微操作机器人水平或倾斜安装在支架上使用时，由于柔性铰链灵敏度很高，其本身重量也会使柔性铰链变形。

3.压电陶瓷驱动器的安装比较困难，很难达到理想的安装位置。其次，放大机构直接通过压电陶瓷驱动，并且采用了点面接触方式，不能消除杠杆摆动产生的非线性误差。而这往往又是系统误差的主要来源。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种体积小、运动精度高的三自由度微纳操作器。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种整体式三自由度微纳操作器，包括基板、压电陶瓷驱动器和平面运动机构，平面运动机构上还串联一个垂直运动机构，所述压电陶瓷驱动器包括X向压电陶瓷驱动器、Y向压电陶瓷驱动器和Z向压电陶瓷驱动器，所述平面运动机构和垂直运动机构是与基板一体相连的整体式结构，其中的连接点均为整体式柔性铰链，且平面运动机构的上下平面位于基板的上下平面之间。

本发明中的运动机构都是与基板一体的整体式结构，外形扁平化，结构紧凑，体积小，无需装配，避免了装配误差，运动精度高。基板的上下平面高出平面运动机构的上下平面，使基板在安装固定后，中间的平面运动机构的运动可以不受阻碍。

上述技术方案中，所述垂直运动机构可以由操作器的执行端连接在Z向压电陶瓷驱动器上构成，由Z向压电陶瓷驱动器直接驱动执行端产生垂直方向的运动。

在上述技术方案中，所述平面运动机构的一种优选结构如下：它包括操作臂、横连杆、第一竖连杆、第二竖连杆，其中操作臂的头端与所述的垂直运动机构相连接，所述第一竖连杆的一端垂直连接在操作臂上，另一端垂直连接在横连杆的头端，所述横连杆的中部通过柔性铰链连接在基板上，尾端通过一根竖推杆与Y向压电陶瓷驱动器相连接，所述第二竖连杆的一端通过柔性铰链连接在基板上，另一端垂直连接在操作臂的尾端，第二竖连杆的中部通过一根横推杆与X向压电陶瓷驱动器相连接。XY向两个压电陶瓷驱动器分别通过上述的连杆机构，可以使操作臂产生二维平面运动，这两个压电陶瓷驱动器通过一根推杆与上述平面运动机构相连，可以避免杠杆摆动产生的非线性误差。

在另一优选方案中，对压电陶瓷驱动器的安装座进行了改进，将安装座设计成一个平行板簧机构，由四片片簧和两根连杆连接而成，压电陶瓷驱动器与安装座之间过盈配合。接触方式为面面接触，且无需调节，靠自身的弹性力实现固定和预紧。

附图说明

图1是本发明的整体式微纳操作器的结构示意图。

图2是本发明中平面运动机构的一种结构示意图。

图3是图2所示平面运动机构的运动原理图。

图4是用于固定压电陶瓷驱动器的一种平行板簧结构的示意图。

图5是图4所示平行板簧结构的运动原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，在一块基板4上采用电火花、线切割等工艺加工而成的整体式连杆和整体式柔性铰链组成二维平面运动机构3和垂直运动机构2，分别由三个压电陶瓷驱动器1驱动构成本发明的三自由度微纳操作器。平面运动机构3由操作臂31、横连杆33、第一竖连杆32、第二竖连杆34，垂直运动机构2就连接在操作臂31的头端，所述第一竖连杆32的一端垂直连接在操作臂31的中部，另一端垂直连接在横连杆33的头端，所述横连杆33的中部通过柔性铰链连接在基板4上，尾端通过一根竖推杆36与Y向压电陶瓷驱动器1相连接，所述第二竖连杆34的一端通过柔性铰链连接在基板4上，另一端垂直连接在操作臂31的尾端，第二竖连杆34的中部通过一根横推杆35与X向压电陶瓷驱动器1相连接。上述所有的机构中，除压电陶瓷驱动器1外，其余全部为整体式结构，无需装配。平面运动机构3凹陷在基板4中，基板4的上下平面比平面运动机构3的上下平面各凸出1mm，这样当基板4在安装固定时，其中的平面运动机构的运动就可以不受阻碍。操作臂31的头端安装Z向压电陶瓷驱动器1，操作器的执行端直接与该Z向压电陶瓷驱动器1的输出端相连，构成本操作器的垂直运动机构2。

图3表示了上述平面运动机构3的运动原理：考虑到微操作器的外形结构的要求，连杆L1和L2、连杆L2和L3、连杆L3和L4分别成90度放置，并且使得两个基座点的位置在同一侧。操作器末端的运动是通过连杆L1和L4的旋转转运动来实现的。由于是5连杆机构(包括地面)，该平面机构具有两个自由度。考虑到压电陶瓷的输出轨迹不是圆弧形，而是直线形，因此分别通过连杆L1和L5、L4和L6连接，然后在连杆L5和L6的末端连接一个滑块机构，滑块分别沿X和Y方向运动，表示压电陶瓷的运动路径。压电陶瓷由计算机控制，通过复杂的矩阵运算控制连杆L1和L4的转角大小的变化，就可以获得操作器末端位置的运动轨迹。

如图4、图5所示，压电陶瓷驱动器的安装是通过该整体机构上的一个平行板簧结构，中空部分用于镶嵌压电陶瓷驱动器，并通过本身固有的弹簧预紧力来固定。该平行板簧机构是由四片片簧和两根连杆连接而成，利用片簧的弹性变形，设定两个突起块的之间的距离，使得压电陶瓷与平行板簧结构的安装为过盈配合，有一定的预紧力，不需要螺钉调节。

Claims (4)

1.一种整体式三自由度微纳操作器，包括基板(4)、压电陶瓷驱动器(1)和平面运动机构(3)，平面运动机构(3)上还串联一个垂直运动机构(2)，所述压电陶瓷驱动器(1)包括X向压电陶瓷驱动器、Y向压电陶瓷驱动器和Z向压电陶瓷驱动器，其特征在于：所述平面运动机构(3)和垂直运动机构(2)是与基板(4)一体相连的整体式结构，其中的连接点均为整体式柔性铰链，且平面运动机构(3)的上下平面位于基板(4)的上下平面之间。

2.根据权利要求1所述的整体式三自由度微纳操作器，其特征在于：所述垂直运动机构(2)由操作器的执行端连接在Z向压电陶瓷驱动器(1)上构成。

3.根据权利要求1所述的整体式三自由度微纳操作器，其特征在于：所述平面运动机构(3)包括操作臂(31)、横连杆(33)、第一竖连杆(32)、第二竖连杆(34)，其中操作臂(31)的头端与所述的垂直运动机构(2)相连接，所述第一竖连杆(32)的一端垂直连接在操作臂(31)上，另一端垂直连接在横连杆(33)的头端，所述横连杆(33)的中部通过柔性铰链连接在基板(4)上，尾端通过一根竖推杆(36)与Y向压电陶瓷驱动器(1)相连接，所述第二竖连杆(34)的一端通过柔性铰链连接在基板(4)上，另一端垂直连接在操作臂(31)的尾端，第二竖连杆(34)的中部通过一根横推杆(35)与X向压电陶瓷驱动器(1)相连接。

4.根据权利要求1所述的整体式三自由度微纳操作器，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器(1)的安装座是一个平行板簧机构，所述平行板簧机构由四片片簧和两根连杆连接而成，压电陶瓷驱动器(1)与安装座之间过盈配合。

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